Железо тепло и электропроводность: Железо теплопроводность и электропроводность

alexxlab | 19.01.1989 | 0 | Разное

Железо теплопроводность и электропроводность

• 5 — 9 классы
• Химия
• 8 баллов

свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Состав и структура железа

Железо – типичный металл, причем химически активный. Вещество вступает в реакцию при нормальной температуре, а нагрев или повышение влажности значительно увеличивают его реакционноспособность. Железо корродирует на воздухе, горит в атмосфере чистого кислорода, а в виде мелкой пыли способно воспламениться и на воздухе.

Чистому железу присуща ковкость, однако в таком виде металл встречается очень редко. На деле под железом подразумевают сплав с небольшими долями примесей – до 0,8%, которому присущи мягкость и ковкость чистого вещества. Значение для народного хозяйства имеет сплавы с углеродом – сталь, чугун, нержавеющая сталь.

Железу присущ полиморфизм: выделяют целых 4 модификации, отличающиеся структурой и параметрами решетки:

• α-Fe – существует от нуля до +769 С. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. +769 С – точки Кюри для металла;
• от +769 до +917 С появляется β-Fe. От α-фазы она отличается лишь параметрами решетки. Практически все физические свойства при этом сохраняются за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком, то есть, способность намагничиваться оно утрачивает и втягивается в магнитное поле. Металловедение β-фазу как отдельную модификацию не рассматривает. Поскольку переход не влияет на значимые физические характеристики;
• в диапазоне от 917 до 1394 С существует γ-модификация, которой присуща гранецентрированная кубическая решетка;
• при температуре выше +1394 С появляется δ-фаза, для которой характерна объемно-центрированная кубическая решетка.

При высоком давлении, а также при легировании металла некоторыми добавками образуется ε- фаза с гексагонической плотноупакованной решеткой.

Температура фазовых переходов заметно изменяется при легировании тем же углеродом. Собственно, сама способность железа образовать столько модификаций служит основой обработки стали в разных температурных режимах. Без таких переходов металл не получил бы столь широкого распространения.

Теперь настал черед свойств металла железа.

О структуре железа рассказывает этот видеосюжет:

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т. е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

Как правильно сделать расчет тепловой мощности

Грамотное обустройство системы отопления в доме не может обойтись без теплового расчета мощности отопительных устройств необходимых для обогрева помещений. Существуют простые проверенные способы расчета тепловой отдачи отопительного прибора. необходимой для обогрева комнаты. Здесь также учитывается расположение помещения в доме по сторонам света.

• Южная сторона дома обогревается на метр кубический помещения 35 Вт. тепловой мощности.
• Северные комнаты дома на метр кубический обогреваются 40 Вт. тепловой мощности.

Для получения общей тепловой мощности необходимой для обогрева помещений дома надо реальный объем комнаты умножить на представленные величины и сложить их по количеству комнат.

Важно! Представленный вид расчета не может быть точным, это укрупненные величины, ими пользуются для общего представления необходимого количества отопительных приборов. Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT)

По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT)

Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT).

Что это такое, как понимать? Паспортный тепловой поток секции батареи может быть получен при соблюдении условия подачи теплового носителя с температурой 105 градусов. Для получения в обратной системе отопления дома температуры 70 градусов. Начальная температура в комнате принимается за 18 градусов тепла.

DT= (температура носителя подачи + температура носителя обратки)/2, минус комнатная температура. Затем данные в паспорте изделия умножить на коэффициент поправочный, которые для разных значений DT приводятся в специальных справочниках. На практике это выглядит так:

• Система отопительная работает в прямой подаче 90 градусов в обработке 70 градусов, комнатная температура 20 градусов.
• По формуле получается (90+70)/2-20=60, DT= 60

По справочнику ищем коэффициент для этой величины, он равен 0,82. В нашем случае тепловой поток 204 умножаем на коэффициент 0,82, получаем реальный поток мощности = 167 Вт.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы. Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность. При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени. Направление изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

§ 9. Физические свойства металлов

Типы подключения радиаторов

Теплоотдача батарей зависит не только от материала, из которого они сделаны. Большое значение имеет тип подключения к трубам поступления и отвода отопления. Радиатор можно подключить:

1. Диагональным способом. При этом подающая труба присоединяется слева сверху, а отвод – справа снизу. Такой вид является самым эффективным, поскольку позволяет равномерно прогреть всю батарею для хорошей теплоотдачи. Старые чугунные радиаторы отопления (таблица параметров приведена выше) подключались именно таким способом.
2. Односторонним способом (боковое подключение). При этом трубы присоединяются с одной стороны. Такой вид подключения считается менее эффективным – если в радиаторе много секций, то они не могут прогреться в достаточной мере.
3. Нижнее подключение – обе трубы присоединяются снизу с обеих сторон.
4. Верхнее подключение. При данном виде трубы подсоединяются сверху: слева подающая, справа отводящая.

Глава 2. Металлы Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки. Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ. Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия. Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог. Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27). Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28). При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам. Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах. Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления. Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления. Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние. Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом. По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники. Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см3). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см3). Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам. Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов. В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода). Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп. В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис. 30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1 1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания. 2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа. 1. Назовите самый легкоплавкий металл. 2. Какие физические свойства металлов используют в технике? 3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение? 4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания? 5. Какие свойства металлов лежат в основе образных литературных выражений: «серебряный иней», «золотая заря», «свинцовые тучи»? Физические свойства металлов. Ответы

Железо теплопроводность и электропроводность

• 5 — 9 классы
• Химия
• 8 баллов

свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий.

Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

В таблице приведена плотность железа d, а также значения его удельной теплоемкости C_p, температуропроводности a, коэффициента теплопроводности λ, удельного электрического сопротивления ρ, функции Лоренца L/L _{при различных температурах — в диапазоне от 100 до 2000 К.}

Свойства железа существенно зависят от температуры: при нагревании этого металла его плотность, теплопроводность и температуропроводность уменьшаются, а значение удельной теплоемкости железа растет.

Плотность железа равна 7870 кг/м 3 при комнатной температуре. При нагревании железа его плотность снижается. Поскольку железо является основным элементом в составе стали, то плотность железа определяет и значение плотности стали. Зависимость плотности железа от температуры слабая — при его нагревании плотность металла снижается и принимает минимальное значение 7040 кг/м 3 при температуре плавления, равной 1810 К или 1537°С.

Удельная теплоемкость железа, по данным таблицы, имеет значение 450 Дж/(кг·град) при температуре 27°С. В зависимости от структуры удельная теплоемкость твердого железа при увеличении температуры изменяется по-разному. По значениям в таблице видны характерный максимум теплоемкости железа вблизи T

c и скачки при структурных переходах и при плавлении.

В расплавленном состоянии свойства железа претерпевают изменения. Так, плотность жидкого железа уменьшается и становиться равной 7040 кг/м 3 . Удельная теплоемкость железа в расплавленном состоянии имеет величину 835 Дж/(кг·град), а теплопроводность железа снижается до значения 39 Вт/(м·град). При этом удельное электрическое сопротивление этого металла увеличивается и при 2000 К принимает значение 138·10 -8 Ом·м.

Теплопроводность железа при комнатной температуре равна 80 Вт/(м·град). С ростом температуры теплопроводность железа снижается — она имеет отрицательный температурный коэффициент в области температуры 100-1042 К, а затем начинает слабо расти. Минимальное значение теплопроводности железа составляет 25,4 Вт/(м·град) вблизи точки Кюри. При β-γ переходе наблюдается слабое изменение теплопроводности, которое также имеет место и при γ-δ переходе.

Теплопроводность железа резко падает по мере увеличения количества примесей, особенно кремния и серы. Наивысшей теплопроводностью обладает очень чистое электролитическое железо — его теплопроводность при 27°С равна 95 Вт/(м·град).

Зависимость коэффициента теплопроводности железа от температуры также определяется степенью чистоты этого металла. Чем железо чище, тем выше его теплопроводность и тем больше по абсолютной величине она снижается с повышением температуры.

«>

Теплопроводность – железо – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

Теплопроводность эмалевого покрытия даже обычной эмалью достаточно низка, – 0 8 – 1 0 Ватт на метр градус. Для сравнения:

теплопроводность железа – 65; стали – 70 – 80; меди – 330 Ватт на метр градус. При наличии пузырьков газа в эмали, что приводит к снижению кажущейся плотности ее, теплопроводность снижается. Например, при кажущейся плотности эмали 2 48 грамм на сантиметр кубический теплопроводность равна 1 18 Ватт на метр градус, то при кажущейся плотности 2 20 грамм на сантиметр кубический теплопроводность равна уже 0 46 Ватт на метр градус.  [31]

Кристаллическая решетка алюминия состоит, как и у многих других металлов, из гра-нецентрированных кубов ( см. стр. Теплопроводность алюминия вдвое больше теплопроводности железа и равна половине теплопроводности меди. Его электропроводность намного выше электропроводности железа и достигает 60 % электропроводности меди.  [32]

Состав, и механические свойства некоторых хромистых чугунов.  [33]

Сплав весьма склонен к образованию усадочных раковин. Теплопроводность сплава составляет около половины теплопроводности железа, что следует принимать во внимание при изготовлении тепловой аппаратуры из хромистого чугуна.  [34]

При дуговой сварке меди следует учесть, что теплопроводность меди примерно в шесть раз больше теплопроводности железа. С прочность меди настолько снижается, что уже при легких ударах образуются трещины. Плавится медь при температуре 1083 С.  [35]

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа. Это необходима учитывать при нагреве металла для обработки давлением и при сварке.

Электросопротивление титана примерно в 6 раз больше чем у железа и в 20 раз больше, чем у алюминия.  [36]

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность, титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа.  [37]

Этот материал обладает удовлетворительной механической прочностью и исключительно высокой химической стойкостью почти ко всем, даже наиболее агрессивным химическим реагентам, за исключением сильных окислителей. Кроме того, он отличается от всех прочих неметаллических материалов высокой теплопроводностью, более чем в два раза превышающей теплопроводность железа.  [38]

Всем этим требованиям удовлетворяют железо, углеродистые и низколегированные конструкционные стали при невысоком содержании углерода: температура плавления железа 1535 С, горения 1200 С, температура плавления оксида железа – 1370 С.

Тепловой эффект реакций окисления достаточно высок: Fe 0 5О2 FeO 64 3 ккал / г-моль, 3Fe 2О2 Fe3O4 Н – 266 9 ккал / г-моль, 2Fe 1 5О2 Fe2O3 198 5 ккал / г-моль, а теплопроводность железа является ограниченной.  [39]

Титан и его сплавы благодаря высоким физико-химическим свойствам все больше применяют в качестве конструкционного материала для авиационной и ракетной техники, химического машиностроения, приборостроения, судо – и машиностроения, в пищевой и других отраслях промышленности. Титан почти в два раза легче стали, его плотность 4 5 г / см3, он обладает высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью при нормальных и высоких температурах и во многих активных средах, теплопроводность титана почти в четыре раза меньше

теплопроводности железа.  [40]

Одно из таких решений заключается в том, что навитую на охлаждаемую поверхность трубу сваркой лишь прихватывают к этой поверхности, после чего стык трубы с кожухом покрывают эпоксидной смолой, смешанной с железным порошком. Теплопроводность смеси близка к теплопроводности железа. В результате создается хороший тепловой контакт между кожухом и трубой, улучшающий условия охлаждения кожуха.  [41]

Всем этим условиям удовлетворяют железо и углеродистые стали. Окислы FeO и Fe304 плавятся при температурах 1350 и 1400 С. Теплопроводность железа по сравнению с другими конструкционными материалами не велика.  [42]

Для металлов, работающих при низких температурах, очень важно и то, как изменяется их теплопроводность при изменении температуры. Теплопроводность стали с понижением температуры повышается. Чистое железо очень чувствительно к Изменению температуры. В зависимости от количества примесей теплопроводность железа может резко меняться. Чистое железо ( 99 7 %), содержащее 0 01 % С и 0 21 % О2, имеет теплопроводность 0 35 кал см-1 с – 19С – при – 173 С и 0 85 кал см – х Хс – 10С – при-243 С.  [43]

Наиболее широко применяется пайка паяльником, газовыми горелками, погружением в расплавленный припой и в печах. Ограничения в ее применении вызваны лишь тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостенных деталей при температуре 350 С. Массивные детали вследствие большой теплопроводности, превышающей в 6 раз теплопроводность железа, паяют газовыми горелками. Для трубчатых медных теплообменников применяется пайка погружением в расплавы солей и припоев. При пайке погружением в расплавы солей используют, как правило, соляные печи-ванны. Соли обычно служат источником тепла и оказывают флюсующее действие, поэтому дополнительного флюсования при пайке не требуется. При пайке погружением в ванну с припоем предварительно офлюсованные детали нагревают в расплаве припоя, который при температуре пайки заполняет соединительные зазоры. Зеркало припоя защищают активированным углем или инертным газом. Недостатком пайки в соляных ваннах является невозможность в ряде случаев удаления остатков солей или флюса.  [44]

Страницы:      1    2    3

Тепло- и электропроводность железа в условиях ядра Земли

• Опубликовано: 11 апреля 2012 г.

• Моника Поццо ¹ ,
• Крис Дэвис ² ,
• Дэвид Губбинс ^2,3 и
• …
• Дарио Альфеты ^1,4

.

Природа том 485 , страницы 355–358 (2012 г.)Процитировать эту статью

• 6963 Доступы

• 408 цитирований

• 65 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Основные процессы
• Металлы и сплавы
• Физика

Abstract

Земля действует как гигантская тепловая машина, приводимая в действие распадом радиогенных изотопов и медленным охлаждением, что приводит к тектонике плит, вулканам и горообразованию. Другим ключевым продуктом является геомагнитное поле, создаваемое в жидком железном ядре динамо-машиной, работающей на тепле, выделяемом при охлаждении и замораживании (по мере роста твердого внутреннего ядра), и в результате химической конвекции (из-за легких элементов, вытесняемых из жидкости при замерзании). . Мощность, подаваемая на геодинамо, измеряемая потоком тепла через границу ядра и мантии (CMB), накладывает ограничения на эволюцию Земли ¹ . Оценки теплового потока реликтового излучения ^2,3,4,5 зависят от свойств смесей железа в экстремальных температурно-барических условиях в активной зоне, наиболее критично от тепло- и электропроводности. Эти величины остаются малоизвестными из-за присущих им экспериментальных и теоретических трудностей. Здесь мы используем теорию функционала плотности, чтобы вычислить эти проводимости в жидких смесях железа в основных условиях из первых принципов — в отличие от предыдущих оценок, которые основывались на экстраполяции. Смеси железа, кислорода, серы и кремния взяты из более ранней работы ⁶ и соответствовать сейсмологически определенной плотности ядра и скачку плотности на границе ядра ^7,8 . Мы находим, что обе проводимости в два-три раза выше оценок, используемых в настоящее время. Изменения настолько велики, что необходимо переоценить тепловую историю активной зоны и требования к мощности. Новые оценки показывают, что адиабатический тепловой поток составляет от 15 до 16 тераватт в реликтовом излучении, что выше нынешних оценок теплового потока реликтового излучения, основанных на мантийной конвекции ¹ ; верхняя часть ядра должна быть термически расслоена, и любая конвекция в верхней части ядра должна быть обусловлена ​​химической конвекцией против неблагоприятной термической плавучести или боковых изменений теплового потока реликтового излучения. Мощность геодинамо сильно ограничена, и будущие модели эволюции мантии должны будут учитывать высокий тепловой поток реликтового излучения и объяснять недавнее формирование внутреннего ядра.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Разделение фононного, магнитного и электронного вкладов в теплопроводность: вычислительное исследование альфа-железа

  • Николов С.
  • , Транчида Дж.
  •  … М. А. Вуд

  Журнал материаловедения Открытый доступ 03 февраля 2022 г.

• Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

  • Вероник Деан
  • , Сайоа А. Кампузано
  •  … Вим ван Вестренен

  Исследования в области геофизики Открытый доступ 01 февраля 2022 г.

• Быстрые вариации магнитного поля ядра Земли

  • В. Лесур
  • , Н. Жилле
  •  … М. Мандеа

  Геофизические исследования Открытый доступ 06 января 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за номер

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рисунок 1: Электро- и теплопроводность железа в условиях внешнего ядра Земли. Рисунок 2: Стабилизирующие и дестабилизирующие градиенты для трех основных моделей энергетики.

Ссылки

1. Лэй, Т. , Хернлунд, Дж. и Баффет, Б. Тепловой поток на границе ядра и мантии. Природа Геофизика. 1 , 25–32 (2008)

   АДС КАС Статья Google ученый

2. Лаброс С., Пуарье Ж.-П. и Ле Муэль, Ж.-Л. Об остывании ядра Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 99 , 1–17 (1997)

   ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

3. Баффет Б., Гарнеро Э. и Жанло Р. Отложения в верхней части ядра Земли. Наука 290 , 1338–1342 (2000)

   АДС КАС Статья Google ученый

4. Листер, Дж. Р. и Баффет, Б. А. Сила и эффективность тепловой и композиционной конвекции в геодинамо. Физ. Планета Земля. Интер. 91 , 17–30 (1995)

   АДС Статья Google ученый

5. Габбинс, Д. , Алфе, Д., Мастерс, Т. Г. и Прайс, Д. Общая термодинамика конвекции двухкомпонентного ядра. Геофиз. Дж. Междунар. 157 , 1407–1414 (2004)

   АДС КАС Статья Google ученый

6. Алфе Д., Гиллан М. Дж. и Прайс Г. Д. Температура и состав ядра Земли. Контемп. физ. 48 , 63–80 (2007)

   АДС Статья Google ученый

7. Мастерс Т. Г. и Габбинс Д. О разрешении плотности Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 140 , 159–167 (2003)

   АДС Статья Google ученый

8. Дзиевонски А. М. и Андерсон Д. Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 25 , 297–356 (1981)

   АДС Статья Google ученый

9. Сильвестрелли, П. Л., Алави, А. и Парринелло, М. Расчет электропроводности в ab initio моделировании металлов: приложение к жидкому натрию. Физ. B 55 , 15515–15522 (1997)

   ADS КАС Статья Google ученый

10. Маттссон, Т. Р. и Дежарле, М. П. Фазовая диаграмма и электропроводность воды с высокой плотностью энергии на основе теории функционала плотности. Физ. Преподобный Летт. 97 , 017801 (2007)

    АДС Статья Google ученый

11. Поццо, М., Дежарле, М.П. и Альфе, Д. Электро- и теплопроводность жидкого натрия на основе первых принципов расчета. Физ. Версия Б 84 , 054203 (2011)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

12. Алфе, Д., Гиллан, М. Дж. и Прайс, Г. Д. Кривая плавления железа при давлениях в условиях ядра Земли. Природа 401 , 462–464 (1999)

    АДС Статья Google ученый

13. Альфе, Д. Температура внутренней границы ядра Земли: плавление железа при высоком давлении из первых принципов моделирования сосуществования. Физ. B 79 , 060101(R) (2009)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

14. Альфе, Д., Поццо, М. и Дежарле, М. П. Удельное электрическое сопротивление решетки магнитного объемно-центрированного кубического железа на основе расчетов из первых принципов. Физ. B 85 , 024102 (2012)

    АДС Статья Google ученый

15. Bi, Y., Tan, H. & Jing, F. Электропроводность железа при ударном сжатии до 200 ГПа. J. Phys. Конденс. Материя 14 , 10849–10854 (2002)

    АДС КАС Статья Google ученый

16. Киллер, Р. Н. и Ройс, Э. Б. в Physics of High Energy Density (редакторы Caldirola, P. & Knoepfel, H.) 106–125 (Proc. Int. Sch. Phys. Enrico Fermi Vol. 48, 1971) )

    Google ученый

17. Стейси, Ф. Д. и Андерсон, О. Л. Электрическая и теплопроводность сплава Fe–Ni–Si в основных условиях. Физ. Планета Земля. Интер. 124 , 153–162 (2001)

    АДС КАС Статья Google ученый

18. Хиросе, К. Гоми, Х. Охта, К. Лаброс, С. и Хернлунд, Дж. Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли. Минерал. Маг. 75 , 1027 (2011)

    Google ученый

19. де Кокер, Н., Стейнле-Нойманн, Г. и Влчек, В. Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T, а также тепловой поток в ядре Земли. Проц. Натл акад. науч. 109 , 4070–4073 (2012)

    АДС КАС Статья Google ученый

20. Дэвис, С. Дж. и Габбинс, Д. Профиль плавучести ядра Земли. Геофиз. Дж. Междунар. 187 , 549–563 (2011)

    АДС Статья Google ученый

21. Олсон, П. в Земное ядро ​​и нижняя мантия (редакторы Джонс, К., Совард, А. и Чжан, К.) 1–49(Тейлор и Фрэнсис, Лондон, 2000 г.)

    Google ученый

22. Накагава Т. И. Тэкли, П. Дж. Боковые вариации теплового потока реликтового излучения и сейсмической скорости в глубине мантии, вызванные пограничным слоем термохимической фазы в трехмерной сферической конвекции. Планета Земля. науч. лат. 271 , 348–358 (2008)

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

23. Джексон, А. , Джонкерс, А. Р. Т. и Уокер, М. Р. Четыре века геомагнитных вековых вариаций из исторических записей. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд. Б 358 , 957–990 (2000)

    АДС КАС Статья Google ученый

24. Габбинс, Д. в Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма (ред. Габбинс, Д. и Эрреро-Бервера, Э.) 287–300 (Springer, 2007)

    Книга Google ученый

25. Дэвис Г. Топография: надежное ограничение потоков мантии. Хим. геол. 145 , 479–489 (1998)

    АДС КАС Статья Google ученый

26. Дэвис Г. Регулирование охлаждения ядра в мантии: геодинамо без радиоактивности ядра? Физ. Планета Земля. Интер. 160 , 215–229 (2007)

    АДС КАС Статья Google ученый

27. McDonough, W. in Трактат по геохимии Vol. 2 (изд. Carlson, RW) 547–568 (Elsevier, 2003)

    Книга Google ученый

28. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективность расчетов полной энергии ab-initio для металлов и полупроводников с использованием базисного набора плоских волн. Вычисл. Матер. науч. 6 , 15–50 (1996)

    КАС Статья Google ученый

29. Blöchl, P. E. Метод дополненной волны проектора. Физ. B 50 , 17953–17979 (1994)

    ADS Статья Google ученый

30. Кресс Г. и Жубер Д. От ультрамягких псевдопотенциалов к проекторному методу дополненной волны. Физ. B 59 , 1758–1775 (1999)

    ADS КАС Статья Google ученый

31. Ван Ю. и Пердью Дж. П. Корреляционная дыра спин-поляризованного электронного газа с точным масштабированием малого волнового вектора и высокой плотности. Физ. B 44 , 13298–13307 (1991)

    ADS КАС Статья Google ученый

32. Дежарле, М.П., ​​Кресс, Дж.Д. и Коллинз, Л.А. Электропроводность теплой, плотной алюминиевой плазмы и жидкостей. Физ. Ред. E 66 , 025401(R) (2002)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

33. Альфе, Д. Молекулярная динамика Ab initio, простой алгоритм экстраполяции заряда. Вычисл. физ. коммун. 118 , 31–33 (1999)

    АДС Статья Google ученый

34. Баффет, Б. А. Оценки теплового потока в глубинной мантии на основе требований к мощности для геодинамо. Геофиз. Рез. лат. 29 , 1566–1569 (2002)

    АДС Статья Google ученый

35. Куанг В. и Блоксхэм Дж. Численная модель динамо, подобная Земле. Природа 389 , 371–374 (1997)

    АДС КАС Статья Google ученый

36. Габбинс Д., Алфе Д., Мастерс Т. Г., Прайс Д. и Гиллан М. Дж. Может ли динамо-машина Земли работать только на тепле? Геофиз. Дж. Междунар. 155 , 609–622 (2003)

    АДС Статья Google ученый

37. Ануфриев А. П., Джонс С. А. и Совард А. М. Приближения Буссинеска и неупругой жидкости для конвекции в ядре Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 152 , 163–190 (2005)

    АДС Статья Google ученый

38. Габбинс, Д. и Робертс, П. Х. в Геомагнетизм (изд. Джейкобс, Дж. А.) 30–32 (Академический, 1987)

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Д. Г. поддерживается грантом CSEDI EAR1065597 Национального научного фонда. CD. поддерживается личной стипендией Совета по исследованию окружающей среды, NE/H01571X/1. член парламента поддерживается грантом NERC NE/H02462X/1 для D.A. Расчеты проводились на национальной установке Великобритании HECToR.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Департамент наук о Земле и Центр Томаса Янга в UCL, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

   Моника Поццо и Дарио Альфе

2. Школа Земли и окружающей среды, Университет Лидса, Лидс LS2 9JT, Великобритания,

   Крис Дэвис и Дэвид Габбинс

3. Институт геофизики и физики планет, Институт океанографии Скриппса, Калифорнийский университет в Сан-Диего, 9500 Гилман Драйв нет. 0225, Ла-Хойя, Калифорния 92093-0225, США,

   Дэвид Габбинс

4. Департамент физики и астрономии и Лондонский центр нанотехнологий, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

   Dario Alfè

Авторы

1. Monica Pozzo

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Chris Davies

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. David Gubbins

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Dario Alfè

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Вклады

Д. А. и Д.Г. разработал проект. член парламента и Д.А. выполнил первые расчеты. CD. и Д.Г. выполнены расчеты термической истории и расслоения керна. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

Автор, ответственный за переписку

Дарио Алфе.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Дополнительная информация

Дополнительные таблицы

Этот файл содержит дополнительные таблицы 1-3. (PDF 203 KB)

PowerPoint Slides

PowerPoint Slide для рис. 1

PowerPoint Slide для рис. 2

Права и разрешения

Reprints и Permissions

. ОТЧЕТА . Статья. по

• Поддержание магнитного динамо Земли

  • Майлис Ландо
  • Александр Фурнье
  • Натанаэль Шеффер

  Обзоры природы Земля и окружающая среда (2022)

• Суперионные сплавы железа и их сейсмические скорости во внутреннем ядре Земли

  • Ю Хе
  • Шичуань Сунь
  • Хо Кван Мао

  Природа (2022)

• Теплопроводность материалов под давлением

  • Ян Чжоу
  • Цзо-Юань Донг
  • Сяо-Цзя Чен

  Nature Reviews Physics (2022)

• Гравитационные вариации и деформации грунта в результате динамики ядра

  • Матье Дамберри
  • Миоара Мандеа

  Геофизические исследования (2022)

• Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

  • Вероник Деан
  • Сайоа А. Кампусано
  • Вим ван Вестренен

  Геофизические исследования (2022)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Тепло- и электропроводность железа в условиях ядра Земли

. 2012 11 апреля; 485 (7398): 355-8.

дои: 10.1038/nature11031.

Моника Поццо ¹ , Крис Дэвис, Дэвид Габбинс, Дарио Альфе

принадлежность

• ¹ Департамент наук о Земле, Центр Томаса Янга в UCL, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK.

• PMID: 22495307
• DOI: 10.1038/природа11031

Бесплатная статья

Моника Поццо и др. Природа. 2012 .

Бесплатная статья

. 2012 11 апреля; 485 (7398): 355-8.

дои: 10.1038/nature11031.

Авторы

Моника Поццо ¹ , Крис Дэвис, Дэвид Габбинс, Дарио Альфе

принадлежность

• ¹ Департамент наук о Земле, Центр Томаса Янга в UCL, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK.

• PMID: 22495307
• DOI: 10.1038/природа11031

Абстрактный

Земля действует как гигантская тепловая машина, приводимая в действие распадом радиогенных изотопов и медленным охлаждением, что приводит к тектонике плит, вулканам и горообразованию. Другим ключевым продуктом является геомагнитное поле, создаваемое в жидком железном ядре динамо-машиной, работающей на тепле, выделяемом при охлаждении и замораживании (по мере роста твердого внутреннего ядра), и в результате химической конвекции (из-за легких элементов, вытесняемых из жидкости при замерзании). . Мощность, подаваемая на геодинамо, измеряемая потоком тепла через границу ядра и мантии (CMB), накладывает ограничения на эволюцию Земли. Оценки теплового потока реликтового излучения зависят от свойств смесей железа в экстремальных температурно-барических условиях в активной зоне, в первую очередь от тепло- и электропроводности. Эти величины остаются малоизвестными из-за присущих им экспериментальных и теоретических трудностей. Здесь мы используем теорию функционала плотности, чтобы вычислить эту проводимость в жидких смесях железа в основных условиях из первых принципов — в отличие от предыдущих оценок, которые основывались на экстраполяции. Смеси железа, кислорода, серы и кремния взяты из более ранней работы и соответствуют сейсмологически определенной плотности ядра и скачку плотности на границе ядра. Мы находим, что обе проводимости в два-три раза выше оценок, используемых в настоящее время. Изменения настолько велики, что необходимо переоценить тепловую историю активной зоны и требования к мощности. Новые оценки показывают, что адиабатический тепловой поток составляет от 15 до 16 тераватт в CMB, что выше, чем современные оценки теплового потока CMB, основанные на мантийной конвекции; верхняя часть ядра должна быть термически расслоена, и любая конвекция в верхней части ядра должна быть обусловлена ​​химической конвекцией против неблагоприятной термической плавучести или боковых изменений теплового потока реликтового излучения. Мощность геодинамо сильно ограничена, и будущие модели эволюции мантии должны будут учитывать высокий тепловой поток реликтового излучения и объяснять недавнее формирование внутреннего ядра.

Похожие статьи

• Питание динамо-машины Земли за счет осаждения магния из ядра.

  О’Рурк Дж.Г., Стивенсон Д.Дж. О’Рурк Дж. Г. и соавт. Природа. 2016 21 января; 529 (7586): 387-9. дои: 10.1038/nature16495. Природа. 2016. PMID: 26791727

• Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T и поток тепла в ядре Земли.

  де Кокер Н., Штайнле-Нойманн Г., Влчек В. де Кокер Н. и соавт. Proc Natl Acad Sci USA. 13 марта 2012 г.; 109 (11): 4070-3. doi: 10. 1073/pnas.1111841109. Epub 2012, 28 февраля. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012. PMID: 22375035 Бесплатная статья ЧВК.

• Прямое измерение теплопроводности твердого железа в условиях планетарного ядра.

  Конопкова З., МакВильямс Р.С., Гомес-Перес Н., Гончаров А.Ф. Конопкова З. и соавт. Природа. 2016 2 июня; 534 (7605): 99-101. дои: 10.1038/nature18009. Природа. 2016. PMID: 27251283

• О генезисе земного магнетизма.

  Робертс П.Х., Кинг Э.М. Робертс Р.Х. и соавт. Респ прог физ. 2013 сен;76(9):096801. дои: 10.1088/0034-4885/76/9/096801. Epub 2013 4 сентября. Респ прог физ. 2013. PMID: 24004491 Обзор.

• Гипербарическая физика.

  Джонс М.В., Бретт К., Хан Н., Вятт Х.А. Джонс М.В. и соавт. 2021, 28 сентября. В: StatPearls [Интернет]. Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing; 2022 янв.–. 2021, 28 сентября. В: StatPearls [Интернет]. Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing; 2022 янв.–. PMID: 28846268 Бесплатные книги и документы.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Металлические субоксиды алюминия со сверхвысокой электропроводностью при высоком давлении.

  Хуан Т., Лю С., Ван Дж., Пан С., Хань Ю., Пикард С.Дж., Хеллед Р., Ван Х.Т., Син Д., Сунь Дж. Хуан Т и др. Исследования (Ваш округ Колумбия). 2022 28 августа; 2022:9798758. дои: 10.34133/2022/9798758. Электронная коллекция 2022. Исследования (Ваш округ Колумбия). 2022. PMID: 36111317 Бесплатная статья ЧВК.

• Высокая напряженность геомагнитного поля, фиксируемая ксенолитами анортозитов, требует мощного позднемезопротерозойского геодинамо.

  Чжан И, Суонсон-Хайселл Н.Л., Эвери М.С., Фу Р.Р. Чжан И и др. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Jul 19;119(29):e2202875119. doi: 10.1073/pnas.2202875119. Epub 2022 11 июля. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 35858328 Бесплатная статья ЧВК.

• Гравитационные вариации и деформации грунта в результате динамики ядра.

  Дамберри М., Мандеа М. Дамберри М. и др. Сурв Геофиз. 2022;43(1):5-39. doi: 10.1007/s10712-021-09656-2. Epub 2021 30 сентября. Сурв Геофиз. 2022. PMID: 35535256 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Спутниковые магнитные данные показывают межгодовые волны в ядре Земли.

  Жилле Н., Герик Ф., Жо Д., Швайгер Т., Обер Дж., Истас М. Жиллет Н. и соавт. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 29 марта; 119 (13): e2115258119. doi: 10.1073/pnas.2115258119. Epub 2022 21 марта. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 35312364 Бесплатная статья ЧВК.

• Суперионные сплавы железа и их сейсмические скорости во внутреннем ядре Земли.

  Хе И, Сун С, Ким ДЮ, Джанг БГ, Ли Х, Мао ХК. Хе Ю и др. Природа. 2022 Февраль; 602 (7896): 258-262. doi: 10.1038/s41586-021-04361-x. Epub 2022 9 февраля. Природа. 2022. PMID: 35140389

Просмотреть все статьи “Цитируется по”

использованная литература

1. 1. Phys Rev Lett. 2006 7 июля; 97 (1): 017801 – пабмед
2. 1. Наука. 2000 17 ноября; 290 (5495): 1338-42 – пабмед
3. 1. Phys Rev B Condens Matter. 1994 15 декабря; 50 (24): 17953-17979 – пабмед
4. 1. Phys Rev B Condens Matter. 1991 15 декабря; 44 (24): 13298-13307 – пабмед
5. 1. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2002 авг; 66 (2 часть 2): 025401 – пабмед

Типы публикаций

[PDF] Тепло- и электропроводность твердого железа и железокремниевых смесей в условиях ядра Земли

• DOI:10.1016/J.EPSL.2014.02.047
• Идентификатор корпуса: 43055997

 @article{Pozzo2013ThermalAE,
  title={Тепло- и электропроводность твердого железа и смесей железо-кремний в условиях ядра Земли},
  автор = {Моника Поццо и Кристофер Дж. Дэвис и Дэвид Габбинс и Дарио Альф {\ 'e}},
  journal={Письма о науке о Земле и планетах},
  год = {2013},
  объем = {393},
  страницы = {159-164}
} 

• М. Поццо, К. Дэвис, Д. Альфе
• Опубликовано 1 декабря 2013 г.
• Физика
• Earth and Planetary Science Letters

Просмотр через издателя

doi.org

Электро- и теплопроводность ядра Земли и его тепловая эволюция — обзор

• Yuan Yin, Qingwen Zhang, Youjun Zhang, Shuangmeng Zhai, Yun Liu

• Физика, геология

  Acta Geochimica

• 2022

Ядро Земли состоит из железа, никеля и небольшого количества легких элементов (например, Si, S, O, C, N, H). и П). Теплопроводность этих компонентов преобладает над адиабатическим тепловым потоком в…

Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность ГПУ сплавов Fe-Ni под высоким давлением: влияние на тепловую конвекцию в ядре Земли Сплавы кремния и тепловое расслоение в ядре Земли

Обнаружена близкая к температуре независимость удельного сопротивления в железо-кремниевых сплавах при давлении ядра Земли и, следовательно, высокая теплопроводность, что указывает на то, что если кремний является единственным основным легким элементом в ядре Земли, он может подавить тепловую конвекцию и способствовать образованию термически стратифицированного слоя в самом верхнем внешнем ядре.

Низкая теплопроводность железо-кремниевых сплавов в условиях ядра Земли с последствиями для геодинамо. ожидал.

Насыщение удельного электрического сопротивления твердого железа в условиях ядра Земли

• М. Поццо, Д. Альфе

• Геология, физика

  SpringerPlus

• 2016

Настоящие результаты подтверждают идею эффекта насыщения, показывая, что при низкой температуре удельное сопротивление увеличивается линейно с температурой и достигает насыщения при высокой температуре.

Инвариантное электросопротивление Co вдоль границы плавления

• И. Эзенва, Р. Секко

• Физика

• 2017

Экспериментальное определение удельного электрического сопротивления железа в керне Земли.

• К. Охта, Ю. Куваяма, К. Хиросе, К. Симидзу, Ю. Охиси

• Физика, геология

  Природа

• 2016

Низкая удельная теплопроводность железа Ядро Земли, предполагающее быстрое охлаждение ядра и молодое внутреннее ядро ​​возрастом менее 0,7 миллиарда лет.

О конвекции ядра и геодинамо: эффекты высокой электро- и теплопроводности

• Д. Губбинс, Д. Алфе, К. Дэвис, М. Поццо

• Физика

• 2015

Теплопроводность и удельное электрическое сопротивление твердого железа в условиях ядра Земли из первых принципов.

Расчеты показывают квазилинейную зависимость между удельным электрическим сопротивлением и температурой для ГПУ Fe при экстремально высоких давлениях, а предсказанная теплопроводность снижена по сравнению с предыдущими оценками, в которых не учитывалось электрон-электронное рассеяние.

Электронные корреляции и перенос в железе в условиях ядра Земли

Показано, как рассеяние из-за взаимодействий между электронами относительно слабо влияет на электрическую и теплопроводность железа в условиях ядра.

ПОКАЗАНЫ 1-10 ИЗ 45 ССЫЛОК

СОРТИРОВАТЬ ПОРелевантности Наиболее влиятельные документыНедавность

Транспортные свойства жидких смесей кремний-кислород-железо в условиях ядра Земли

• M. Pozzo, C. Davies, D. Alf06 90

• Физика

• 2013

Мы сообщаем о тепло- и электропроводности двух жидких смесей кремний-кислород-железо (Fe0,82Si0,10O0,08 и Fe0,79Si0,08O0,13), репрезентативных для состава внешней оболочки Земли…

Тепловая и электропроводность железа в условиях ядра Земли

• М. Поццо, К. Дэвис, Д. Губбинс, Д. Алфе

• Физика, геология

  Природа

• 2012
7 9057 поток составляет от 15 до 16 тераватт в реликтовом излучении, что выше современных оценок теплового потока реликтового излучения, основанных на мантийной конвекции; верхняя часть ядра должна быть термически расслоена, и любая конвекция в верхней части ядра должна быть вызвана химической конвекцией против неблагоприятной термической плавучести или боковых изменений теплового потока CMBHeat.

Удельное электрическое сопротивление железа при высоких давлениях и температурах и последствия для ядер планет поликристаллического железа выполняли при 5, 7 и 15 ГПа и в диапазоне температур 293–2200 К четырехпроводным методом.

Перегибы в электрических…

Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли

• Х. Гоми, К. Охта, Дж. Хернлунд

• Геология

• 2013

Температура внутренней границы ядра Земли: плавление железа при высоком давлении из первых принципов сосуществования53s

• s
• D. Alfé

• Физика, геология

• 2009

Ядро Земли состоит из твердого шара радиусом 1221 км, окруженного жидкой оболочкой, простирающейся до 3480 км от центра планеты, примерно на полпути к поверхности (…

Валовая термодинамика конвекции двухкомпонентного ядра

• Д. Габбинс, Д. Альфе, Г. Мастерс, Г. Д. Прайс, М. Гиллан из железа и 8 процентов серы или кремния, а внешнее ядро ​​- той же смесью с дополнительным 8 процентами кислорода. Этот состав соответствует плотности…

  Теплопроводность ГПУ-железа при высоком давлении и температуре

  • Конопкова З., Лазор П., Гончаров А., Стружкин В.